信息通信技术的能耗继续飙升，当世界继续努力追求更高时，信息通信技术的能耗继续飙升。这些市场需求不仅将是5G在许多关键应用中，也限制了能源效率和性能。5G网络性能目标对基本半导体设备提出了一系列新的要求，增加了对高度可靠的射频前端解决方案的需求，提高了能源效率、带宽更大、工作频率更高、占地面积更小。在大规模MIMO（mMIMO）在系统的推动下，基站无线电中的半导体设备数量急剧增加，移动网络运营商在降低资本支出和运营支出方面面面临的压力更大。因此，限制设备成本和功耗对高效为5G网络的安装和运行至关重要。

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在现代5G部署在无线电架构中的射频功率放大器（PA）在满足性能更高、成本更低的明显矛盾方面发挥着重要作用。虽然LDMOS该技术的蜂窝标准中，该技术主导了无线接入网络的射频功率放大器，但随着5G这种情况正在改变。氮化镓具有优异的射频特性和明显的低功耗，是一个强大的竞争对手。但需要注意的是，主要用于新的5G碳化硅基氮化镓，由于其非主流半导体技术，仍然是最昂贵的射频半导体技术之一。这限制了它实现大规模经济效益的潜力。相比之下，硅基氮化镓结合了具有竞争力的性能和巨大的规模经济效应两个优点。本文将解释硅基氮化镓的进展如何使该技术成为5G无线电射频功率放大器是一个非常强大的竞争对手。

5G要求

随着数字社交媒体的激增、带宽需求大的视频通话和移动设备上的严重互联网使用，高性能的5G为了提供足够的覆盖和服务质量，需要无线网络。这一趋势在新冠肺炎疫情期间愈演愈烈，因此运营商正在推动6GHz以下5G作为应对这种指数级增长的数据消费的有效途径。然而，促进更高的数据速率对全球能源账单产生了巨大信息和通信技术将增加到全球能耗的21%。

从射频无线电的角度来看，新的5G功能转化为更具挑战性的射频特性。更高的载波频率达到7GHz，瞬时带宽大于400MHz，调制方法更高，信道数量更多mMIMO其中有几种天线配置。此外，随着无线电变得更加复杂，保持最低重量和功耗的需求从来没有那么重要。这两个因素都需要更高的能源效率来节约能源和冷却设备onsemi代理成本。射频功率放大器仍然是5G mMIMO无线电中的关键设备是无线传输前的最后一个有源设备，基站能耗高达50%。射频功率放大器的现代半导体技术需要满足一些苛刻的条件才能满足5G要求，为未来一代铺平道路。

在这种情况下，氮化镓因其出色的射频性能而成为5G mMIMO领先的无线电大功率射频功率放大器技术。然而，目前的实现成本太高。氮化镓比硅基技术生长得更昂贵III/V族SiC晶圆采用昂贵的光刻技术，生产成本特别高。氮化镓最初试图在硅晶圆上生长，但由于性能差，没有成本优势，没有被市场采纳。这种情况正在改变。在本文中，我们描述了一种新的硅基氮化镓技术，它满足了所有的技术要求，并提供了具有商业吸引力的经济效益。

射频功率放大器技术

LDMOS——LDMOS FET(图1)于1960年代末至1970年代初推出，以提高功率MOSFET击穿电压。超过硅双极晶体管的横向扩散结构的性能、坚固性和易用性，LDMOS成为1990年代主流射频功率技术。

在过去的30年里，LDMOS一直是无线基础设施中高功率发射级的标准技术GHz以下都表现出色。GaN HEMT在出现之前，由于在8寸硅衬底上制造设备具有固有的成本优势，并且与标准硅工艺完全兼容，LDMOS无线基站市场一直难以取代。

5.8mm硅基氮化镓晶体管的负载牵引泄漏效率和Pout的关系。

SiC基氮化镓-诞生于2000年代初DARPA该计划是在1970年代和1980年代成功的砷化镓MMIC计划结束后。氮化镓射频器件(图2)的开发是为了满足军事应用(如雷达)对高功率、宽带宽和高频率的需求。

与LDMOS氮化镓在临界电场和通道中具有最大载流子密度的固有优势，这意味着在给定的输出功率下具有更高的阻抗性，并随着频率的增加而降低效率。在军事应用中具有吸引力的属性，这也使氮化镓在无线基础设施中具有吸引力，特别是高功率密度-通常LDMOS晶体管的5倍-与低寄生电容器相结合，使该装置能够支持更宽的调制带宽。

随着功率和频率的增加，市场向更高频率发展的趋势也有利于氮化镓晶体管。即使超过2GHz，GaN功率放大器的效率也可以超过80%。这种效率优势是5G通信系统在未来越来越重要。

硅基氮化镓-成本一直是限制氮化镓用于无线基础设施等成本敏感应用的主要因素。这对于2GHz尤其是在这个频段，应用频率更低LDMOS和GaN性能差距不明显。为了解决SiC基GaN自21世纪初以来，人们一直在追求高成本问题Si衬底上生长GaN。由于晶格不匹配，性能和可靠性的主要挑战很难Si高质量的衬底生长GaN。在过去的10年里，大量的研发，特别是在电力转换应用方面，产生了许多改进EPI随后，许多硅基氮化镓产品被发布，甚至用于工业应用。

硅基氮化镓的现状

尽管取得了这一进展，但要证明硅基氮化镓的性能和性能SiC基氮化镓相当，可靠性好，需要克服一些挑战。英飞凌开发了用于射频功率的硅基氮化镓技术，可以充分发挥其潜力。经过多年的发展，硅基氮化镓已准备成为主流技术。最重要的标准—性能、热阻、可靠性和成本将在下一章中逐一讨论。

射频性能-促进替代LDMOS射频效率是最重要的性能参数之一。图4显示格栅极外围为5.8mm，偏置电压为28V封装晶体管2.7GHz负载牵引测量结果。圆圈指示3dB压缩点（P3dB）峰值泄漏效率约为85%，峰值输出功率密度超过5.5W/mm，性能与SiC基GaN相当。等值线显示，从深度偏离到接近饱和的效率相当稳定，使设备技术适用于Doherty PA。

热阻-硅基氮化镓与碳化硅基氮化镓的根本区别之一是热阻，反映了硅与碳化硅基材的导热性差异。SiC基氮化镓具有更好的导热性。然而，32V硅基氮化镓晶体管偏压48V碳化硅基氮化镓器件可达到相同的结温。假设故障机制相似，在较低电压下工作的硅基氮化镓器件将与碳化硅基氮化镓器件具有相同的可靠性。

可靠性-设备故障和漂移是评估设备可靠性的两个因素。平均失效时间(MTTF)根据设备温度(图5)，由故障机制决定。硅基氮化镓晶体管在较低温度下MTTF受电迁移的限制。然而，电迁移是独立的GaN晶体管本身由设备的金属化和布局决定。由电迁移引起的MTTF可通过改变布局来延长。英飞凌硅基氮化镓器件采用铜金属化，通常用于硅工艺，对电迁移强度高，150℃下，MTTF达到108小时。

图5硅基氮化镓的平均寿命。

图6硅基氮化镓Idg漂移与时间的关系，25℃和100℃。

图7硅基氮化镓Pout漂移与HTRB时间关系。

图8单级Doherty PA框图。

在评估该技术的漂移时，图6显示25个设备℃和100℃时的Idq漂移，偏压为10mA/mm，Vds=28V。10年后推断测量结果Idq漂移低于25%。图7显示了一根20mm封装的晶体管在高温下反向压力(HTRB)压力测试时，输出功率随时间衰减。该装置的偏压为Vgs=-15V、Vds=100V，温度为150℃。在1000小时的HTRB在压力下，输出功率下降不到8%。

成本——SiC基氮化镓器件的单位面积成本是由SiC衬底和III/V由典型的小晶圆加工成本决定。相比之下，英飞凌的硅基氮化镓是在标准的8英寸硅晶圆上实现的，因此与其他硅晶圆的生产兼容。硅基氮化镓晶圆采用现代八英寸硅生产设备，采用硅固有的集成度、性能、产量和供应链基础设施。射频集成导致更复杂MMIC这是一个长期的趋势，因此批量生产硅晶圆的单位面积成本仍然是一个重要的差异。

硅基氮化镓PA模块

无线基础设施功率放大器模块模块（PAM）额定射频输出功率下的功率增加效率的关键性能参数（PAE）、动态峰值输出功率和频分双工（FDD）和时分双工（TDD）线性化能力在模式下。

有源天线系统（AAS）每个天线单元射频功率的一个趋势是PAM标称线性输出功率从3开始W增加到8W，可增加到12W甚至更高。频率和天线阵列的大小变化PAM尺寸有限，应适合射频印刷电路板（PCB）尽量降低系统成本。功率GaN由于能承受较高的结温，技术支持这种紧凑的尺寸。

为了评估英飞凌硅基氮化镓技术的能力，在多层有机层压基板上设计了单级Doherty PAM，其在3.4-3.6GHz线性功率的平均调制频段为39dBm（图8）。在Doherty在设计中，输入信号分别进入主管和峰管放大器，在输出端通过90度移相器合路。测量条件，28V测量偏置电压、单音信号输入、室温PAM增益和漏极效率（DE）与输出功率的关系(图9)。在39dBm包括3的输出dB分路器、合路器等无源损耗已达到10.5dB功率增益。测量的最大输出功率为47.5dBm。

峰均比为7.5dB(G NR调制波形，额定射频工作功率为39dBm，DE这一点附近的第一个峰值，以确保调制DE与单音DE最小偏差DE52%到54%。GaN PAM的性能与SiC基GaN报告的性能相当。

图9单级Doherty PA的实测增益（a）和DE（b）与输入功率的关系。

图10带有3.6GHz调制信号的Doherty PA的增益与Pout，未经DPD校准性能(蓝色)和DPD性能(红色)校准后。

3.使用频谱分析仪.6GHz测量带调制信号的数字预失真（DPD）的PAM动态峰值功率(图10)。峰值功率为47.5dBm。这张图比较了有没有DPD的调制AM-AM依赖，显示DPD线性输出特性极佳。DPD使PAM线性能力反映了设备的低非线性、电路和设备的低记忆效应。在市场上使用DPD线性化是设备技术和放大器设计的重要特征。

图11在FDD和TDD没有长期记忆模型的模式使用DPD测量的Doherty PA频谱。

该PAM室外应用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G传输信号的时间图可能相当复杂和不规则，单符号传输是可能的。热、电荷捕获和视频带宽决定了PAM在传输子帧中沿符号序列的不同输出功率和误差矢量的动态响应。为了说明这一点，图11绘制了传输序列的第一个符号的功率谱，显示在FDD、混合和TDD没有长期记忆模型的模式使用DPD的性能。Vc指夹位电压或级外栅极偏压。TDD以下调制信号用于调制信号：3GPPD TM3.1a，1×20 MHz信道，5G NR OFDM 256-QAM，60kHz SCS和7.5dB PAR。

趋势和挑战

随着射频发射功率的增加，热管理变得更加重要。mMIMO AAS，有几个热管理考虑:1)系统过热导致组件性能下降，长期可靠性下降；2)由于能源效率低，运行成本高；3)无线电系统的被动散热。

虽然分立模块可以通过较低的包装密度提供更好的热管理，但它们会更大AAS产品中带来BOM和PCB系统集成商需要对尺寸瓶颈进行大量的设计优化。控制芯片厚度，采用适当的芯片连接技术PAM焊接良好PCB散热的关键的关键。在一定温度范围内保持近乎恒定的输出功率需要较小的设计余量和较高的产量PAE。硅基英飞凌GaN PAM功率增益系数为-0.02dB/℃，与SiC基GaN和LDMOS PA相当。

更宽的瞬时带宽和使用5GHz上述频段是另外两种市场趋势，导致更多GaN上集成PAM解决方案。英飞凌硅基氮化镓技术有能力MMIC集成不仅能满足输出功率规格，还能克服级联分立器件、晶体管寄生和键合线寄生效应带来的性能限制，通常导致带宽和能效降低。

小结

本文探讨了无线基础设施射频硅基氮化镓技术的发展，提高了氮化镓的性价比。经过多年的发展，该技术已经成熟，可以在硅晶圆加工的基础上，以较低的成本提供与碳化硅基氮化镓相同的效率。硅基氮化镓能满足5G无线通信系统的效率、线性化和功率密度要求。我们相信这是一段漫长旅程的开始。行业的进一步发展将硅氮化镓的能力推向更高的频率和功率水平，并可能扩展到无线基础设施以外的应用。